انقلاب در نظريه كوانتوم

آيا تفسير كپنهاك بى اعتبار مى شود

نوشته: ماتيو ايرديل

ترجمه: على ملائكه

« تفسير كپنهاك » از نظريه كوانتوم از هنگامى كه براى اولين بار در 70 سال پيش تكوين يافت، عامل اختلاف نظر فراوان بين فيزيكدانان و فيلسوفان بوده است.

«نيلس بور» فيزيكدان دانماركى، معمار اصلى اين نظريه، واكنش نمونه اى به اين نظريه را چنين خلاصه كرده است: «هر كسى از نظريه كوانتوم تكان نخورد آن را نفهميده است.» اينشتين اين نظريه را به خاطر استلزامات احتمال گرايانه اش دوست نمى داشت، اما علت عدم تمايلش اين هم بود كه اعتقاد داشت وظيفه علم فراهم آوردن دانشى از جهان است كه مستقل از مشاهده گران و اعمال مشاهده گرانه شان باشد و اين چيزى بود كه تعبير كپنهاكى از نظر كوانتوم به وضوح آن را رد مى كرد.

«بور» اصرار داشت كه تنها طريق معنادار بودن رياضيات نظريه كوانتوم اين است كه فرض كنيم هيچ چيز تا هنگامى كه اندازه گيرى نشود وجود ندارد. ما نمى توانيم درباره واقعيت عينى مستقل از مشاهده گران سخن بگوييم زيرا مشاهدات ما آنچه را كه خواهيم ديد متفاوت خواهد كرد.معمار ديگر نظريه كوانتوم، اروين شرودينگر تحت تاثير اين تعبير قرار نداشت. او آزمايش فكرى مشهورى را طرح كرد «كه امروزه به آن آزمايش گره شرودينگر مى گويند» تا ياوگى ذاتى اين تعبير را روشن كند [آزمايشى كه امروزه به نحوى متناقض به معرف اين تعبير بدل شده است] او اتاقى در بسته را تصور كرد كه حاوى گربه اى زنده و نمونه كوچكى از يك ماده راديواكتيو به صورت ماشه اى متصل به يك محفظه سيانيد است. همه اين اجزا براى اين چيده شده تا احتمال اينكه ماشه راديواكتيو آزادى سيانيد و نهايتاً مرگ گربه را باعث شود، 50-50 باشد. عقل سليم به ما مى گويد كه گربه درون جعبه يا مرده است يا زنده، بسته به اينكه ماشه راديواكتيو عمل كرده باشد يا نه.

اما بر اساس تعبير كپنهاك فرد نمى تواند چنين چيزى بگويد مگر هنگامى كه يك مشاهده گر واقعاً به درون جعبه نگاه كند و «ببيند» كه گربه مرده است (يا زنده). تا آن هنگام گربه را مى توان در يك زمان هم مرده «و» هم زنده شمرد.

واضح است كه چنين وضعيتى حالتى غيرعادى از امور است، با اين حال اين تعبير بخشى از اصول پذيرفته شده علمى در 80 سال گذشته بوده است. اما احتمالاً اين اعتبار ديگر ادامه نخواهد يافت، اگر ثابت شود كه نتايج آزمايش بحث برانگيز فيزيكدان شهريار افشار معتبر است. يكى از خصلت هاى عجيب واحدهاى ساختمانى واقعيت اين است كه تحت برخى شرايط به صورت ذره عمل مى كند، در حالى كه تحت شرايط ديگر خواص موج مانند آشكارى دارد. اين وضع را روشن تر از همه مى توان در آزمايش «شكاف دوتايى» double-slit experiment نشان داد كه در آن الكترون ها به سوى يك حائل فلزى نازك با دو شكاف باريك روى آن پرتاب مى شوند. الكترون ها از يكى از اين شكاف ها مى گذرند و به يك صفحه پوشيده از فسفر برخورد مى كنند. برخورد الكترون ها با اين صفحه جرقه اى نورانى به وجود مى آورد كه به وسيله يك شناساگر ثبت مى شود.

اين آزمايش در سه مرحله انجام مى شود. در مرحله اول، تنها يكى از شكاف ها گشوده است و الكترون ها الگويى روى صفحه تشكيل مى دهند كه مشابه آنى است كه هنگام شليك گلوله به يك هدف ديده مى شود. تمركزى از اصابت ها كه روى قسمتى از صفحه كه به تدريج هنگامى كه فرد از مركز دور مى شود محو مى شود. در مرحله دوم اين آزمايش، شكاف اول بسته مى شود، شكاف دوم باز مى شود و الكترون ها الگويى روى صفحه تشكيل مى دهند كه مشابه الگوى مشاهده شده در مرحله اول است، اما تمركز يافتن «اصابت ها» در موقعيتى متفاوت در صفحه انجام مى گيرد كه با موقعيت متفاوت شكاف دوم روى حائل فلزى تطبيق مى كند.تا اينجا همه چيزها مطابق روال معمول است. موضوع وقتى جالب مى شود كه هر دو شكاف حائل فلزى را باز مى كنيد و الكترون ها را به سمت صفحه آشكاركننده شليك مى كنيد. اگر الكترون ها هميشه مانند ذره عمل مى كردند (همچنان كه در مراحل 1 و 2 اين گونه هستند)، شما انتظار داشتيد كه تركيبى از نتايج مرحله 1 و 2 را ببينيد. به اين معنى كه صفحه بايد دو ناحيه تمركز «اصابت ها» مربوط به الكترون هايى كه از ميان دو شكاف مى گذرند داشته باشد. اما شما چيز ديگرى را مشاهده مى كنيد. آنچه مشاهده مى كنيد يك الگوى تداخلى كلاسيك است، مانند طرحى كه هنگام برخورد دو موج آب به وجود مى آيد. به عبارت ديگر مجموعه اى از اوج و فرودهاى «اصابت ها» را روى صفحه مى بينيد، كه با الگوى اصابت حاصل از پرتاب شدن ذراتى ساده از ميان دو شكاف متفاوت است. به نظر مى رسد الكترون ها هنگامى كه از تفنگ الكترونى شليك مى شوند رفتار ذره اى دارند و هنگامى كه مسيرشان را با اصابت بر صفحه فسفرى به پايان مى رسانند نيز ذره هستند، اما در مسير حركتشان بين اين دو نقطه خودشان را به نوعى از موج تغيير شكل مى دهند.براساس چنين آزمايش هايى ممكن است به نظر رسد كه الكترون ها مى توانند هم موج و هم ذره باشند، اما «بور» اعتقاد داشت كه محتمل است كه آنها چيزى مطلقاً متفاوت باشند، چيزى آن قدر بديع كه نه تجربه هاى عادى روزمره ما به ما امكان توصيف يا فهم آن را بدهد و نه تجهيزات آزمايشگاهى ما توان احاطه كامل بر آن را داشته باشد. يك موجوديت كوانتومى هنگامى كه اندازه گيرى مى شود يا مانند ذره يا مانند موج رفتار خواهد كرد. «بور» استدلال مى كرد كه طريقه اى كه شما آزمايش خود را ترتيب مى دهيد است كه تعيين مى كند شما چه نوع رفتارى را مشاهده كنيد و همزمان و در يك آزمايش هر دو رفتار را نخواهيد ديد. او اين وضعيت را «اصل مكمليت» principle of conplementarity ناميد. اينشتين به اين اصل اعتراض داشت اما نمى توانست به طور تجربى آن را نقض كند. اكنون به نظر مى رسد شهريار افشار از عهده اين كار برآمده است.

آزمايش افشار كه اخيراً در مجله نيوساينتيست توصيف شده است، گونه اى از همان آزمايش «شكاف هاى دوتايى» است. نور ليزر روى دو سوراخ ريز روى يك صفحه مات تابانده مى شود. در طرف ديگر اين صفحه يك عدسى وجود دارد كه نورى را كه از هر يك از اين سوراخ هاى ريز مى گذرد، مى گيرد (يك صفحه مات ديگر مانع رسيدن پرتوهاى ديگر نور به عدسى مى شود) و شعاع هاى در حال پراكندگى را روى يك آينه دوباره متمركز مى كند. اين آينه هر يك از اين شعاع ها را به يك كشف كننده فوتون جداگانه بازتاب مى دهد. به اين ترتيب افشار مى تواند ميزان فوتون هاى بيرون آمده از هر سوراخ را ثبت كند. بر طبق اصل مكمليت، چنين وضعى به معناى آن است كه نبايد هيچ شاهدى از الگوى تداخلى وجود داشته باشد. اما به نظر افشار [بر اساس نتايج اين آزمايش] چنين الگويى وجود دارد، همچنان كه او به طور خاص اين آزمايش را براى آزمودن حضور همين الگو طراحى كرده است. به گفته افشار: «اين آزمايش مكمليت را زير پا مى گذارد... به نظر مى آيد چيزى كه همه به آن اعتقاد داشتند و هيچ كس در 80 سال گذشته در مورد آن ترديدى به خرج نمى داد، اشتباه باشد» هنگامى كه افشار براى تكرار آزمايش اش در ابتداى سال جارى ميلادى به دانشگاه هاروارد دعوت شد نتايج مشابهى را به دست آورد و اكنون كار او براى انتشار پس از مرور به وسيله دانشمندان ديگر پذيرفته شده است. اين مرحله يقيناً آزمونى حساس براى پژوهش اوست و معين خواهد كرد كه آيا نظرات او به وسيله جامعه گسترده تر علمى پذيرفته مى شود يا نه، گرچه عده اى از فيزيكدانان از هم اكنون پشتيبانى از نظرات او را آغاز كرده اند.

افشار مطمئن است كه پژوهش او مورد قبول قرار خواهد گرفت و براى بسيارى اين آزمايش مايه آسودگى خاطر خواهد بود. به گفته افشار: «بسيارى از فيزيكدانان نظرات بور را يا مبهم يا غيرقابل پذيرش يافته بودند، اما تا به حال كسى نتوانسته است در يك آزمايش بى پايه بودن مكمليت را نشان دهد.»

با اين حال پيش از آغاز جشن گرفتن براى پيروزى ظاهرى عقل سليم بر غرابت كوانتومى، بايد يادآور شد كه براى مثال ما هنوز در موقعيتى مى مانيم كه در آن يك ذره، يك موج است و يك موج يك ذره، بخشى از معضل لاينحل نظريه كوانتوم ممكن است به آهستگى در حال گشوده شدن باشد، اما بيشتر بقيه آن به همان اندازه 80 سال قبل كاملاً پيچيده باقى مى ماند.